Minuscule capteur gazeux portable alerte aux gaz toxiques via affichage holographique

Des chercheurs de l'université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH) ont créé un minuscule capteur gazeux qu'on peut placer sur ses lunettes ou gants comme un autocollant. Avec un affichage holographique, le capteur notifie immédiatement l'utilisateur de la détection de gaz volatil.

Cette technologie portable pourrait un jour aider à prévenir les accidents gazeux liés aux fuites de gaz toxiques en usine, fuites de monoxyde de carbone de chaudières, ou suffocation par gaz toxiques lors du nettoyage de regards.

Fonctionnement du capteur gazeux portable

Le capteur de 300 x 300 µm est composé d'une méta-surface et d'une cellule à cristal liquide (LC), sensible au gaz toxique. Quand du gaz est détecté, l'orientation des cellules change pour former un avertissement personnalisé.

Les hologrammes sont produits par la méta-surface, qui fait disparaître des objets visibles en contrôlant l'indice de réfraction de la lumière.

Le changement d'orientation du cristal liquide dans la cellule inverse la polarisation circulaire de la lumière entrante de droite à gauche.

Cette lumière polarisée circulairement interagit alors avec la méta-surface, conçue pour produire deux hologrammes distincts — un pour chaque polarisation de lumière.

Dans l'« état sûr », les LC sont configurés pour produire la polarisation de lumière générant l'hologramme « sûr ». L'exposition à un gaz toxique influence les LC à s'orienter pour produire la polarisation circulaire opposée, générant le signal d'hologramme « alarme ».

« Nous obtenons une distribution de phase qui produit l'image désirée et arrangeons les nanostructures sur la méta-surface en conséquence », a déclaré le chercheur de POSTECH Trevon Badloe. « Ensuite, quand la méta-surface est illuminée par une lumière polarisée circulairement, les images holographiques sont affichées. »

Badloe et son équipe ont fixé la méta-surface sur la surface courbée de lunettes de sécurité.

Avec la méta-surface, le capteur gazeux peut faire flotter une image d'alarme holographique dans l'espace en quelques secondes en contrôlant la polarisation de la lumière transmise. Les hologrammes peuvent être faits pour apparaître au-dessus d'un échantillon, ou où le porteur décide de le mettre, dit Badloe.

« Nous avons utilisé l'illumination laser pour produire les hologrammes, cependant nous prévoyons d'intégrer le dispositif avec une petite source lumineuse comme des OLED ou MicroLED pour créer un dispositif complet sur puce à l'avenir », a dit le chercheur.

Contrairement aux capteurs gazeux commerciaux conventionnels, le dispositif POSTECH ne nécessite aucun soutien de dispositifs mécaniques ou électroniques externes.

Lors des tests, les chercheurs ont utilisé l'alcool isopropylique, substance toxique causant douleurs d'estomac, maux de tête et vertiges, comme gaz dangereux cible. Selon l'étude de l'équipe, le capteur a détecté même une infime quantité de gaz d'environ 200 ppm.

Le capteur gazeux flexible et portable est fabriqué rapidement, par une méthode d'impression nanocomposite en une étape. La structure de méta-surface, précédemment traitée sur un substrat dur, est nanocoulée sur un substrat courbé ou flexible en une étape.

Prochaines étapes

Ensuite, les chercheurs développeront un capteur environnemental haute performance affichant le type et le niveau de concentration de gaz ou biochimiques dans l'environnement avec une alarme holographique. Les ingénieurs étudient aussi des techniques de conception optique pour encoder diverses images holographiques. Ces études, si réussies, pourront réduire les accidents causés par fuites biochimiques ou gazeuses.

Les fabricants du capteur, selon Badloe et son équipe, dirigés par le professeur Junsuk Rho de POSTECH, espèrent intégrer la technologie avec les systèmes d'affichage AR type lunettes en développement chez Apple, Samsung, Google et Facebook.

Badloe, membre du groupe du professeur Rho et co-auteur de l'article récent des chercheurs dans Science Advances, a parlé avec Tech Briefs par email de sa vision d'un futur d'images holographiques. Badloe a communiqué au nom de son équipe et en coordination avec le Dr Inki Kim, auteur principal de l'article.

Q&A avec Tech Briefs

Tech Briefs : À quoi ressemble une « alarme holographique visuelle immédiate » ?

Trevon Badloe : L'alarme holographique visuelle peut afficher n'importe quelles images choisies pour les états sûr et alarme ; cela peut inclure du texte, des images ou des symboles. La méthode de conception et d'encodage des images dans la méta-surface holographique est bien connue, elles sont donc choisies avant la fabrication.

Tech Briefs : Quels gaz peuvent être détectés avec ce capteur ?

Trevon Badloe : Puisque la fonctionnalité de la détection de gaz ne repose que sur la cellule à cristal liquide, la sélectivité de la réponse à certains gaz toxiques pourrait aussi être assez facilement intégrée au dispositif. Nous avons testé et vérifié les temps de réponse en détectant chloroforme, acétone, toluène, IPA, p-xylène, méthanol et DMF. Le temps de réponse du signal « sûr » à « alarme » dépend du dosage et du type de gaz.

Tech Briefs : Comment concevez-vous un hologramme distinct dans la méta-surface ?

Trevon Badloe : Le processus est assez impliqué, mais bien compris.

D'abord, nous devons générer numériquement une carte de phase qui produit le motif d'interférence requis (l'image qu'on veut afficher) à l'emplacement désiré. La conception d'un hologramme se fait par calcul, connue sous le nom d'holographie générée par ordinateur (CGH). Ici nous avons utilisé la CGH « phase seulement ». La génération de la carte de phase pour l'image requise est assez simple et bien comprise, utilisant le plus souvent l'algorithme de Gerchberg-Saxton. Ensuite, cette carte de phase est physiquement encodée sur une méta-surface utilisant des nanostructures conçues pour exhiber les caractéristiques de phase requises.

Tech Briefs : Est-ce un processus difficile de créer deux hologrammes séparés ?

Trevon Badloe : Nous profitons du fait qu'on peut induire des polarisations égales et opposées de la lumière (polarisée circulairement gauche et droite). Ensuite, nous pouvons combiner les deux cartes de phase distinctes d'une manière qui permet d'encoder les nanostructures en utilisant leurs caractéristiques de phase inhérentes, plus une compensation supplémentaire liée seulement à la rotation des nanostructures (connue sous le nom de phase de propagation et phase géométrique, respectivement).

Tech Briefs : Pouvez-vous me donner un exemple d'application de ce capteur ?

Trevon Badloe : L'utilisation d'une cellule à cristal liquide flexible et d'une méta-surface peut permettre d'appliquer les alarmes visuelles de détection de gaz à n'importe quelle surface, qu'elle soit lisse et plate ou non. Comme exemple, nous avons fixé la méta-surface sur la surface courbée de lunettes de sécurité. Elles pourraient aussi être attachées aux gants d'un utilisateur, ou n'importe où qu'il peut voir facilement pour fournir une alarme visuelle.

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Tech Briefs : Quelle est la suite de vos recherches ?

Trevon Badloe : En recherche de suivi, nous allons produire un dispositif qui non seulement fournit des signaux sûr et alarme, mais peut aussi donner à l'utilisateur l'information sur le niveau de gaz toxique présent. Par exemple, il pourrait être utile de savoir l'existence de gaz toxique avant qu'il n'atteigne des niveaux dangereux. Alors, les actions correctes peuvent être entreprises pour arrêter le flux du gaz indésirable.

Tech Briefs : Qu'est-ce qui vous enthousiasme le plus dans cette technologie et ses possibilités ?

Trevon Badloe : Cette technologie prouve l'impact que les méta-surfaces pourraient avoir dans les applications réelles. Avec la simple intégration de méta-surfaces avec cristaux liquides, de nombreuses fonctionnalités peuvent être réalisées. Les alarmes visuelles holographiques pourraient s'avérer extrêmement utiles dans divers domaines où des alarmes instantanées sont requises pour la sécurité des utilisateurs, comme dans les laboratoires ou même les environnements militaires pour la détection rapide de gaz biohazardieux.

Qu'en pensez-vous ? Voyez-vous d'autres utilisations pour les avertissements holographiques ? Partagez vos questions et commentaires ci-dessous.